基本信息
- 項目名稱：
- 有機無機超分子自組裝制備自愈合超拉伸橡膠納米復合材料
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 本項目以具有自愈合性能的新型超分子橡膠為研究對象，采用系列先進的多尺度固體NMR技術在分子水平上闡明材料自愈合性質的微觀起源及其與微觀結構和動力學的關聯，發(fā)展新型自愈合超分子聚合物的制備方法。進而制備具有可調控自愈合性能的新型超分子聚合物及其納米復合材料。本項目將為設計和制備新型高分子材料提供理論依據，為高分子物理發(fā)展提供新的認識。
- 詳細介紹：
- 本項目以具有自愈合性能的新型超分子橡膠為研究對象，采用系列先進的多尺度固體NMR技術在分子水平上闡明材料自愈合性質的微觀起源及其與微觀結構和動力學的關聯，發(fā)展新型自愈合超分子聚合物的制備方法，發(fā)展檢測超分子聚合物中弱相互作用、微相結構和鏈運動的固體NMR新技術。具體包括：采用基于質子高分辨及自旋擴散等固體NMR技術研究體系中的超分子相互作用和多尺度的微相結構及其演化規(guī)律；采用基于NMR弛豫、化學位移各向異性重聚及二維交換譜等固體NMR技術研究不同時間尺度的鏈運動；在上述結構和動力學研究的基礎上闡明材料自愈合性質的微觀起源，發(fā)展有機-無機雜化等調控材料自愈合性能的新方法及相關NMR新技術，進而制備具有可調控自愈合性能的新型超分子聚合物及其納米復合材料。該工作將為設計和制備新型高分子材料提供理論依據，為高分子物理發(fā)展提供新的認識。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 1） 但是自愈合材料的自愈合機理尚不清楚，本作品利用固體核磁共振等技術從分子水平上闡明材料自愈合性質的微觀機理，將材料的微觀結構與宏觀性能關聯，進而為設計和制備新型高分子材料提供理論依據。 2） 利用有機改性的無機納米材料與含互補氫鍵基團的低聚物通過強氫鍵作用形成有機-無機超分子自組裝，進而制備具備自愈合和超拉伸性能的新型橡膠納米復合材料。
科學性、先進性及獨特之處
- 1）本作品利用固體核磁共振等先進的實驗技術研究了納米復合材料的氫鍵強度隨時間的變化、發(fā)現了氫鍵區(qū)域存在秒級的超慢分子運動，進而在分子水平上闡明了材料產生自愈合橡膠的微觀機理； 2）本作品提出了一種新穎的有機無機超分子自組裝的分子設計思想，并首次成功制備了新型的具有自愈合和超拉伸性能的橡膠納米復合材料，在國際上尚未見報道。本材料環(huán)保、易得、價格便宜，在工業(yè)領域具有潛在的廣闊應用前景。
應用價值和現實意義
- 具有自愈合性能的新型橡膠材料自愈合機理尚未見報道，本作品利用先進的固體核磁技術研究了材料內部不同相區(qū)的鏈段運動特性，進而闡明了此種新型的橡膠材料具有自愈合性能的微觀機理。本作品通過分子設計進一步合成出一種新型的橡膠納米復合材料，該納米復合材料除了具有很好的自愈合性能外，還能產生超拉伸的性能。除此之外，復合材料還有很好的粘接性能，除了在自愈合材料領域，在新型膠粘劑領域也具有潛在的應用前景。
學術論文摘要
- 具有優(yōu)異力學性能并能自修復的聚合物材料受到科學家的廣泛關注，法國科學家Leibler等人在2008年利用新穎的分子設計思想開發(fā)出一種新型的通過超分子自組裝形成的“自愈合”橡膠，這種神奇的橡膠在撕裂或切斷后，在室溫下只需通過斷面的短時間接觸就能夠重新接合起來并恢復原有的力學性能。以具有自愈合性能的新型超分子橡膠為研究對象，采用一系列先進的多尺度固體NMR技術在分子水平上闡明材料自愈合性質的微觀起源及其與微觀結構和動力學的關聯，發(fā)展新型自愈合超分子聚合物的制備方法，發(fā)展檢測超分子聚合物中弱相互作用、微相結構和鏈運動的固體NMR新技術，進而制備出具有可調控自愈合性能的新型超分子聚合物及其納米復合材料。進一步提出一種新穎的有機-無機超分子自組裝制備自愈合材料的分子設計思想，利用高比表面、有機改性功能化的無機納米材料（如層狀蒙脫土）與含大量互補氫鍵基團的低聚物通過大量的界面氫鍵相互作用形成有機-無機超分子自組裝， 進而可制備兼具自愈合和獨特力學性能（如超拉伸）的新型橡膠納米復合材料。該橡膠納米復合材料在工業(yè)領域具有潛在的廣闊應用前景。
獲獎情況
- 部分研究成果已經發(fā)表在2010年5月在中國山東舉辦的 “第九屆國際高分子物理學術討論會(PP’2010)”的論文集中
鑒定結果
- 該作品所制備的新型自愈合橡膠納米復合材料同時將自愈合和無機納米材料的兩種性能有機結合起來，技術水平先進，在新型橡膠、膠粘劑等工業(yè)領域具有廣闊的應用前景。
參考文獻
- (1) “Self-healing and thermoreversible rubber from supramolecular assembly”, Cordier P, Tournilhac P, Soulie-Ziakovic C, Leibler L. Nature 2008，451，977. (2) “Synthesis of Self-Healing Supramolecular Rubbers from Fatty Acid Derivatives, Diethylene Triamine, and Urea”, Montarnal D, Cordier P, Soulie-Ziakovic C, Tournilhac F, Leibler L. J. Polym. Sci. A. 2008, 46, 7925. （3）“Versatile One-Pot Synthesis of Supramolecular Plastics and Self-Healing Rubbers”，Damien M, Fran ois T?, Manuel H?, Jean-Luc Couturier? and Ludwik L，*? J. Am. Chem. Soc.2009, 131 (23), pp 7966–7967 (4) “Biomimetic Design of Reversibly Unfolding Cross- Linker to Enhance Mechanical Properties of 3D Network Polymers”, Kushner AM, Gabuchian V, Johnson EG,Guan ZB. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 14110. (4) “Exfoliation of Organo-Clay in Telechelic Liquid Polybutadiene Rubber”, Chen TH，Zhu JJ, Li BH, Guo SY, Yuan ZY, Sun PC, Ding DT, Shi AC. Macromolecules. 2005, 38, 4030.
同類課題研究水平概述
- 近年來具有優(yōu)異力學性能并能自修復的聚合物材料受到科學家的廣泛關注，法國科學家Leibler等人在2008年利用新穎的分子設計思想開發(fā)出一種新型的通過超分子自組裝形成的“自愈合”橡膠，這種神奇的橡膠在撕裂或切斷后，在室溫下只需通過斷面的短時間接觸就能夠重新接合起來并恢復原有的力學性能。他們通過采用簡單的小分子原料和普通的有機化學反應將脂肪酸與尿素通過兩步化學反應，把一些含氮化學基團結合到脂肪酸的各端，進而制備出含互補氫鍵基團的低聚物，這些低聚物的鏈間以大量的互補氫鍵形成超分子自組裝，進而產生自愈合性能，這種綠色和價格低廉的新材料在工業(yè)應用領域已經顯示了潛在的廣闊應用前景。最近，Wang等人將極少量的端基功能化樹枝狀高分子與無機納米土在水溶液中混合，通過非共價鍵結合力的作用制備了高力學強度的獨特水凝膠，凝膠同時具有快速和完全的自愈合性能。 雖然近兩年來國際上在自愈合超分子聚合物材料領域取得了若干突破性的進展，并成為高分子科學的前沿和熱點研究領域之一，但目前人們對這種通過超分子相互作用形成的橡膠和凝膠產生獨特自愈合性能的微觀機理及其與微相結構和鏈運動的關聯卻仍然缺乏深入的認識。Leibler等人通過FTIR技術研究了高溫下淬火到室溫的自愈合橡膠中NH振動峰強度的時間依賴，發(fā)現淬火樣品中的氫鍵重新結合的特征時間是10000秒，遠小于橡膠網絡的力學松弛時間，并認為這是該超分子橡膠的自愈合機理。 超分子自愈合橡膠的自愈合性質首先取決于分子鏈段中大量互補氫鍵基團的存在，在斷裂表面處產生的高密度自由氫鍵基團通過特定的分子運動可以和另一斷面的自由氫鍵基團重新結合在一起而使材料產生自愈合。Mynar等人認為理解Leibler等人制備的超分子橡膠自愈合性質的關鍵在于該材料中強的互補氫鍵密度及動力學行為，他們認為有待解決的最令人感興趣的問題是研究材料是由于何種微觀結構導致氫鍵的重新結合與橡膠網絡的弛豫過程具有如此不同的特征時間。Greef等人也認為氫鍵的動力學理解超分子橡膠實現自愈合過程的關鍵因素，Leibler等人制備的超分子橡膠的亮點在于材料中氫鍵的動力學特性在實現自愈合性能的同時并沒有降低材料的力學性能。
